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《Nat. Mater.》：钙钛矿又有新进展了！

2023-04-27 14:57:07 0 527

研究背景

自由空间定向发射的圆偏振光源在手性光学、自旋电子学、谷电子学和不对称光催化中发挥着关键作用。然而，传统的方法无法在紧凑的发射器中同时实现纯圆偏振、高方向性和大发射角。金属卤化物钙钛矿半导体是很有前途的发光体，但由于缺乏固有的自旋锁定机制，导致发射手性较差。此外，器件集成破坏了钙钛矿手性发射体的效率和方向性。

研究成果

新加坡国立大学邱成伟研究团队联合南洋理工大学等提出了一种实现紧凑自旋谷锁定钙钛矿发射超表面的办法，其中自旋相关的几何相通过布里渊区折叠被赋予连续体中的束缚态，这样，具有不同自旋的光子被选择性地寻址到相反的波谷。同时实现手性纯度0.91，发射角41.0°，光束发散角为1.6°。设想通过此法法实现手性发光二极管，以及在芯片上生成纠缠光子对。

此项研究工作以“Compact spin-valley-locked perovskite emission”为题，发表在国际顶级期刊《Nature Materials》上。

图文速递

在连续体中的束缚态BIC超表面的光子带结构中构建了合成谷，并赋予钙钛矿发射自旋谷锁定特征。溴化甲脒铅（FAPbBr3）钙钛矿直接组装到晶格常数为p的方形阵列钙钛矿纳米柱超紧凑超表面中（图1a），开发一种自限组装方法，以允许多晶钙钛矿在超表面模板内共形生长。通过引入苯乙基溴化铵（PEABr）来保证钙钛矿的共形生长，限制结晶过程中的晶粒尺寸，使两种定义明确的光子结构的特征尺寸都可以降到50 nm，且满足具有长程均匀性的高质量钙钛矿的生长（图1b）。通过扫描电子显微镜（SEM）及X射线衍射对钙钛矿的共形生长和晶体结构进行了表征。

若纳米圆柱体没有凹口，则TE模式的光子带结构在BZ的Γ点处表现出局部带极值，也称为Γ谷。由于平面内反转（C2）对称性，在Γ谷处实现了对称保护的BIC。在光泵浦下，从钙钛矿发射的光子耦合到高Q BIC模式，并根据不同的自旋选择性地寻址到相对的谷（Γ+1和Γ−1）（图第1a段）。发射光子的这种自旋谷锁定类似于过渡金属二硫族化合物中激子的自旋谷锁定，其中表现出依赖于谷的Berry曲率。

图1：钙钛矿超表面中的自旋谷锁定发射

超表面的发射机制可以用紧密结合模型来解释，该模型涉及晶格位点之间假自旋-1粒子的跳跃和相互作用。局部模式的特征是沿着z轴的伪自旋投影，其中Sz = 0对应于非辐射单极模式，Sz = ±1对应于具有σ±-偏振远场发射的辐射偶极模式（图2a）。

采用角度分辨PL光谱（455nm连续激发偏振光）研究钙钛矿超表面的自发发射性能，测量的分散度（图2c）与理论一致。

图2：钙钛矿超表面的自发辐射性质

Q BIC用作发射激光的腔模式，钙钛矿超表面在泵浦注量超过阈值的400nm飞秒激光中测到的色散在553 nm处显示四个激光点，这些都属于TE10模式（图第3a段），因为它是钙钛矿增益谱中唯一的腔模式。激光作用通过积分强度和线宽随泵浦注量的演变得到了明确的证明（图第3b段）。高于8.5μJ cm−2的阈值，发射强度显著上升，而线宽从0.80变窄到0.34 nm，对应于1600的激光Q因子，尽管先前报道的钙钛矿激光器已经实现了相当的阈值和Q因子，但它们不能同时实现定向和圆偏振发射。

由于自旋谷锁定，Γ+1和Γ−1谷的激光偏振为σ+和σ−。测量的S3参数，高达+0.8和−0.8，甚至高于自发发射的参数，以增强相干性（图3c）。中心的两个相邻斑点归因于BIC涡旋激光的产生，如动量空间中映射的强度分布所揭示的（图3d）。观察到具有中心暗区的环形光束。在涡旋光束后放置线性偏振器，存在两个波瓣，光束的方位角偏振分布。

图3：在钙钛矿超表面中测量的自旋谷锁定激光

通过重新排列超晶胞内部的旋转角度赋予不同的GPs来进一步调整发射特性。当绕组常数为2，GP携带的激光预计将发生在Γ+2和Γ−2谷，分别具有σ+和σ−偏振，这已通过实验验证（图4a），对于绕组常数= 3（图4b），激光谷被切换到Γ+3和Γ−3，发射角分别进一步增加到41°和−41°。相应的归一化S3值+0.91和-0.91远高于大多数现有的手性发射。绕组常数为0时，超晶胞上累积的GP变得微不足道，自旋谷锁定被释放（图4c）。超晶胞可以分解为两半：左半部分分别在Γ+2和Γ−2谷处产生σ+和σ−偏振光束，而具有相反缠绕方向的右半部分在相同的谷处产生具有相反自旋的激光。由此产生的激光是线性偏振的。自发PL发射表现出类似的可调谐谷和偏振的特征。

图4：具有可调波谷和偏振的钙钛矿激光

结论与展望

此项为调制相干和非相干发射过程提供了一个独特范例，可广泛应用于热释光、电致发光和自发参数下转换。对发光材料没有严格要求，可扩展到其他发光介质，如过渡金属二硫族化合物、砷化镓和量子点。除自旋谷锁定外，通过重新排列超表面的晶胞，可预期更灵活的功能，为在光源和探测器、显示技术和量子光学领域的应用铺平了道路。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-023-01531-2.

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